Контрольная работа по "Физике"

Лучшая  защита от нейтронного излучения  - чередование слоёв вещества из лёгких элементов (вода, парафин) и тяжёлых ( свинец). Лёгких – для задержки нейтронов, а тяжёлых – ядер отдачи и продуктов других вторичных  радиоактивных излучений.

                  Разные типы неустойчивых ядер  – разные радионуклиды способны  к разным типам распадов:

А. Схема  - распада:

- материнское ядро, – дочернее ядро. Поскольку из материнского ядра вылетает 2 протона и 2 нейтрона - всего 4 нуклона, зарядовое число уменьшается при - распаде на 2, массовое – на 4. Наблюдается превращение одного химического элемента в другой. Например, по этой схеме родон превращается в полоний, а затем полоний в свинец.

 

 

Б. Схема  _- - распада:

  массовое число ядра при этом не меняется, так как масса электрона почти в 2000 раз меньше массы нуклона и поэтому ей можно в данном случае пренебречь, а зарядовое число увеличится на 1 - по закону сохранения заряда, поскольку электрон забрал из ядра отрицательный элементарный заряд. Дело в том что при _- - распаде один нейтрон ядра превращается в протон, электрон  и антинейтрино:

Примером    _- - распада может служить рассмотренное выше превращение радиоизотопа углерода в азот. Вот ещё один пример – превращение трития в гелий

 

 

В. Схема  ₊ - распада: + ₊+ , в этом случае протон в ядре превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино:

 

Примером  ₊ - распада может служить превращение рубидия в криптон:

 

 А вот   особого - распада нет. - излучение может сопровождать , _- ,  ₊ - распады. Дочернее ядро при этих распадах может оказываться в возбуждённом состоянии и, при переходе в невозбуждённое состояние оно излучает -квант.

Г. Электронный  захват – ещё один вид ядерного превращения. Ядро захватывает один из электронов, находящийся на ближайшем  к ядру  электронном слое. При  этом протон в ядре превращается в  нейтрон и из ядра вылетает нейтрино

 

 

Схема е–захвата

 

Примером  е–захвата может служить превращение  бериллия в литий

 

 

ДОЗИМЕТРИЯ  ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. ПОГЛОЩЕННАЯ, ЭКСПОЗИЦИОННАЯ, БИОЛОГИЧЕСКАЯ (ЭКВИВАЛЕНТНАЯ) ДОЗЫ ИЗЛУЧЕНИЙ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ЕДЕНИЦЫ  ИЗМЕРЕНИЯ В СИИ ВНЕСИСТЕМНЫЕ ЕДЕНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ, СВЯЗЬ МЕЖДУ  НИМИ. МОЩНОСТЬ ДОЗЫ. РАДИОАЦИОННЫЙ  ФОН ЗЕМЛИ ПРИ НОРМЕ. ПДД.

 

Поглощённая доза излучения D численно равна энергии излучения, поглощённого на единицу массы облучаемого тела.

                          D  =  _.

В СИ  D  измеряется в греях(Гр) = Дж/кг. Но применяются и внесистемная единица рад= 10^-3 Гр.

D - основная доза, определяющая действие излучения на вещество. Но непосредственное определение этой дозы затруднительно. Можно определить D в разных органах подопытного облучённого животного, например, по количеству свободных радикалов образовавшихся в результате облучения. Для этого можно, в частности, применить метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).  Для - и рентгеновского излучений, отличающихся большой проникающей способностью, D можно определить опосредованно по экспозиционной дозе Х .

Экспозиционная  доза Х  - мера ионизации воздуха над поверхностью облучаемого тела. Чем больше ионизация воздуха над поверхностью тела, тем больше проникающей - и рентгеновской радиации поглотило тело. Х численно равна заряду положительных ионов, образованных излучением  на единицу массы  воздуха. В СИ Х измеряется в Кл/кг. Внесистемная единица -  рентген(Р) = 2,58.10^-4 Кл/кг . Рентген(Р) это такая экспозиционная доза, когда в 1см³ сухого воздуха при нормальных условиях в результате и первичных и вторичных процессах ионизации образуется примерно 2 млрд. пар ионов.

По Х можно рассчитать D   по формуле: D= f Х ,                                                       (4.1)

 где f –  коэффициент, который для внесистемных  единиц для воды и мягких  тканей можно принять за 1 . Таким  образом, для мягких тканей  и воды экспозиционная доза  в 1Р соответствует поглощённой  дозе 1 рад. Для костной ткани  этот коэффициент принимает значения  от 2  до 5 в зависимости от энергии  фотона. Большим энергиям соответствуют  меньшие значения f.

Биологическая (эквивалентная) доза Н оценивает биологическое действие разных типов излучений по сравнению с действием и рентгеновского излучений. В Си Н измеряется в зивертах(Зв). Зв – единица измерения биологической (эквивалентной) дозы любого вида излучения, соответствующая по биологическому действию 1Гр - и рентгеновского излучений. Внесистемная единица бэр – биологический эквивалент рада. 1 бэр эквивалентен по биологическому действию 1раду - и рентгеновского излучений.

 Н связана  с D формулой:  Н = k∙ D,                                                         (4.2)

где k – обэ  –относительная биологическая эффективность  или коэффициент качества . Для  - и рентгеновсого излучений k = 1, по определению. Для излучения также k = 1.  Для нейтронного излучения k = 5. Для протонного k = 10. Для - излучения k = 20.

Если дозы измеряются во внесистемных единицах для мягких тканей – синонимы для  - и рентгеновского излучений экспозиционная доза  Х = 1Р соответствует поглощённой дозе D= 1рад и биологической дозе  Н = 1 бэр.

МОЩНОСТЬ  ЭКСПОЗИЦИОННОЙ ДОЗЫ

Важна не только величина дозы облучения, но её мощность – численно равная дозе за единицу  времени облучения.

Мощность  поглощённой дозы P_D  = измеряется вСИ в Гр/с; во внесистемных единицах – это рад/с, рад/час, мрад/час, мкрад/час, рад/год.

Мощность  экспозиционной дозы Р_Х=   в Си измеряется в Кл/кг.с = А/кг;  во внесистемных  единицах - это Р/с, Р/час, мР/час, мкР/час, Р/год.

 Мощность , биологической дозы Р_н =   в Си измеряется в Зв/с;  во внесистемных  единицах - это бэр/с, бэр/час, мбэр/час, мкбэр/час, бэр/год.

Нормальный  радиационный фон на поверхности  Земли Р_н = 0,1 бэр/год, чему для - и рентгеновского излучения и для мягких тканей соответствует примерно Р_Х = 10 мкР/час. Причина нормального радиационного фона – космическое излучение и радионуклиды, содержащиеся в земной коре.

Превышение  радиационного фона – результат  деятельности человека: медицинские  обследования, работа электростанций. Тепловые электростанции приводят к  большему повышению радиационного  фона, чем атомные, но это, если на АЭС  не случается аварий. За предельно  допустимую дозу (ПДД) для радиационного  фона приняты две величины. Для  населения – 0,5 бэр/год. Для персонала - людей по роду своей работы, подвергающихся дополнительному облучению и, соответственно, находящихся под усиленным врачебным  контролем – 5 бэр/год. Однако следует  отметить, биологическое действие  ионизирующего облучения – беспороговое. Любое повышение радиационного  фона приводит к пропорциональному  этому повышению увеличению вероятности  онкологических заболеваний и мутаций.

Смертельная доза облучения очень индивидуальна. Считается, что 600 бэр  приводят к  «смерти под лучом».

Зависимость мощности экспозиционной дозы облучения от расстояния до точечного источника - или рентгеновского излучения: 

        ;      ;                                           (4.3)

Здесь А- активность источника, r  - расстояние до  источника, k          - гамма- постоянная, определяется природой источника радиации.

Существуют  три основных способа защиты от внешнего облучения ионизирующим излучением:

1. расстоянием – располагаться подальше от источника радиации (например пользоваться дистанционно управляемыми манипуляторами);
2. временем – сокращать, по возможности, время работы с радиоактивными препаратами;
3. защитными экранами из материалов, хорошо ослабляющими излучение.

 

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦЫ, ФОРМУЛА  ДЕ БРОЙЛЯ. ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ, НЕЙРОНОГРАФИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ В ФАРМАЦИИ.

Квантовая механика – теория движения и взаимодействия микрочастиц, основанная на представлении  об их двойственной корпускулярно –  волновой природе. Иногда пользуются термином «волновая механика».

Волновые  свойства микрочастиц.

В работах  основателей квантовой физики Планка, Эйнштейна и др. была установлена  двойственная корпускулярно- волновая  природа электромагнитного  излучения. Энергия фотона                                                    

               = h = _{,  где} - частота, - длина волны,  h = 6,62.10^-34 Дж.с – постоянная Планка , с =3.10⁸ м/с – скорость света в вакууме.  

Согласно  формуле Эйнштейна  = mс² . Следовательно фотон обладает массой. Масса фотона m =  = _{=  .}

 А импульс  фотона :  р = mс = 

Луи дё Бройль предположил, что корпускулярно-волновой дуализм распространяется и на частицы  вещества. Движущиеся частицы обладают волновыми свойствами. Их длина волны,  так называемая длина волны дё Бройля:                                               

                       _Б  =  = ,                                            (5.1)

Где    р = mv  – импульс частицы – масса частицы m, умноженная на её скорость v.

В принципе, волновые свойства присущи всем движущимся телам, но только для микрочастиц  – частиц очень малой массы  _Б  -  не исчезающее малая величина.

Рассмотрим  два примера: летящую пулю и движущийся вокруг атомного ядра электрон.

       Примем массу пули m = 9г = 9.10^-3 кг, а её скорость v =10³ м/с. Её длина волны дё Бройля

_Б = 6,62 10^-34 9 10^-3  10³ 0,7 10^-34 м – абсолютно ничтожна, и говорить о волновых свойства летящей пули бессмысленно.

Масса электрона m = 9 10^-31 кг, скорость в атоме v = 10⁶ м/с.  Длина волны дё Бройля

_Б = 6,62 10^-34 9 10^-31  10⁶ 0,7 10^-9 = 0.7 нм – хоть и мала, но не ничтожна, сравнима с размером атома, и говорить о волновых свойства электрона вполне правомерно.

Принц Луи  дё Бройль (так правильнее, ибо он принадлежит к королевской семье  Бурбонов) выдвинул свою гипотезу в 1924 году, но уже через три года гипотеза перестала быть гипотезой, потому что  была подтверждена экспериментом –  опытом по дифракции электронов, проведёнными американскими физиками Дэвиссоном и Джёрмером ( рис. 5.1).

 

а) Схема опыта  б)    в)

 

Рис. 5.1 Дифракция  электронов на атомах кристаллов (объяснения в тексте).

                 В стеклянной трубке (рис. 5.1-а), из  которой выкачан воздух, из электронной  пушки ЭП вылетает пучок электронов  и рассеивается на металлической  (золотой) фольге Ф толщиной 10^-5 – 10^-6 м. На экране Э, на фотоплёнке  наблюдается интерференционная картина – кольца максимумов и минимумов дифрагировавших на атомах кристалла электронов. Это доказывает волновые свойства электронного пучка. Если электроны дифрагируют на поликристалле получаются дифракционные кольца(рис. 5.1-б), если на монокристаллах – отдельные точки – рефлексы (рис. 5.1-в), если на аморфном веществе – «аморфные гало» - размытые кольца. Такая же картина наблюдается при дифракции рентгеновских лучей на поли- и монокристаллах, а также на аморфных веществах. Длина волны быстрых электронов со скоростью порядка 10⁶ м/с оказалась близка к длине волны  рентгеновского излучения, около 0,7 нм.  И также, как в рентгеноструктурном анализе, основанном на исследовании дифракции рентгеновских лучей, в этом случае изучается дифракция электронов на атомах вещества. Это даёт ценную информацию о микроструктуре объекта. Метод называется электронографией. Имеются определённые преимущества электоронографии перед рентгеновскими методами исследования: электроны  - заряженные частицы, ими легче управлять действием на них электрическим или магнитным полем, легче регулировать интенсивность электронного пучка, легче фокусировать. Но есть и существенный недостаток. Вся система, включая объект исследования должна быть в вакууме.

 Есть ещё  и нейтронография, протонография.  Эти методы основаны на исследовании  дифракции более тяжёлых частиц, следовательно, с ещё меньшей  длиной волны. Поэтому они позволяют  изучать ещё более мелкие детали  объекта. 

 

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП ЕГО ПРЕДЕЛ РАЗРЕШЕНИЯ, ПРИМЕНЕНИЕ В ФАРМАЦИИ, БИОЛОГИИ, БИОФИЗИКЕ.

Первый электронный  микроскоп создан в 1932 году немецкими  изобретателями Максом Кноплем и  Эрнстом Руске. В отличие от электонографии, основанной на волновых свойствах электрона, в электронном микроскопе волновые свойства электронов, по возможности, стараются сделать несущественными.  Предел разрешения микроскопа – наименьшее расстояние между двумя точками  объекта, для которых ещё получаются несливающиеся изображения .  В  лучших оптических микроскопах предел разрешения порядка 300 нм. В электронных  микроскопах его удаётся уменьшить  до 0,5 нм. Этого удаётся достигнуть,  увеличивая скорость электронов v и уменьшая его длину волны дё Бройля _Б.

Для сухого объектива  при прямом освещении, как это  имеет место в электронном  микроскопе предел разрешения z:

Z= _{, где А – числовая апертура объектива электронного микроскопа – величина в силу его конструктивных особенностей очень маленькая –порядка 0,001.}

Длина волны  электронов:   _Б   = 

 

Электроны ускоряются электрическим полем. Кинетическая энергия, приобретаемая электроном равна работе электрического поля:   ⁼ eU,

 

m – масса электрона, e – его заряд, U – напряжение ускоряющего электроны электрического поля. Отсюда скорость, приобретённая электроном:

v ,  длина волны _{, а предел разрешения :}  

 

При ускоряющем напряжении U = 10⁹ В  предел разрешения z 0,5 нм.

Фокусировка электронных пучков производится с  помощью электромагнитных линз. По специальным катушкам текут токи, создающие магнитные поля.  При  помощи ферромагнитных обойм полям  придают нужную форму. Действующие  на движущиеся электроны силы Лоренца  фокусируют их на объект (объективная  катушка), а затем на экран (проекционная катушка).

В лучших электронных  микроскопах достигается увеличение порядка 10⁶ .

Электронный микроскоп сыграл выдающуюся роль в  прогрессе фармации, медицины, биофизики, особенно вирусологии и мембранологии.

 

ВОЛНОВАЯ  ФУНКЦИЯ, ЕЕ ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ. УРАВНЕНИЕ  ШРЕДИНГЕРА.

А. Статистический (вероятностный) характер закономерностей  квантовой механики.

В 1949 году советские  физики  В.А. Фабрикант с сотрудниками повторили опыт по исследованию дифракции  электронов, но пропуская через кристаллическую  фольгу электроны поочерёдно. Единичные  электроны не дали никакой дифракционной  картины на экране (рис.5.2 а). Они рассеивались хаотически, попадая в разные места  экрана. И лишь когда через фольгу было пропущено достаточно большое  количество электронов, выяснилось, что  в некоторые места, а именно в  те, которые соответствовали дифракционным  максимумам, электроны попадают чаще, чем в другие (рис.5.2 б). Квантовые  закономерности носят статистический, вероятностный характер и проявляются  только для большого числа случаев. Поэтому волну дё Бройля иногда называют волной вероятностей.